论文摘要
近等原子比的镍钛合金由于其优异的性能在许多领域得到了广泛的应用,然而在一些实际应用中,由于镍钛合金吕德斯带变形行为,应力-应变曲线上当载荷达到屈服点之后,应力值稍微增加,应变就会发生很不稳定的变化,无法通过调节应力控制材料的应变,从而限制了镍钛合金在需要精确控制其形变等工程中的功能性应用。本文以直径1mm的Ti-50.9at.%Ni合金丝材为研究对象,根据该成分镍钛合金在不同温度下的相变机理和相变行为,通过对固溶处理的丝材在管式炉连续变化的温度区间内进行梯度时效处理,然后在室温条件下淬火,得到的镍钛丝材中析出物的含量在长度方向上连续变化,由于该析出物对该镍钛合金的相变以及材料的物理性能有着显著影响,从而导致丝材处理前后机械行为的改变,产生力学参数梯度变化的效应。本文将镍钛丝材在选定的恒定温度区间内、相同的时效与淬火参数下处理,作为梯度时效处理实验的对比试样。经过梯度时效处理的镍钛合金丝材分段切割,每一部分的时效温度区间可以具体确定,利用差示扫描量热仪（DSC）分析了丝材不同位置的相变行为,通过材料拉伸试验机记录了丝材拉伸时的应力-应变关系,并与恒温时效处理试样的相变行为和力学性能进行对比。DSC结果表明,梯度时效处理所得试样上约3mm长一段镍钛合金的相变行为,与该位置所对应的相近温度下恒温时效处理试样的相变行为如马氏体转变开始温度几乎吻合,因此可以证明镍钛丝材在梯度温度环境下的时效,导致了析出物在长度方向上的梯度变化。材料拉伸实验结果表明,恒温时效处理的镍钛试样在拉伸过程中,当应力增加,形变诱发马氏体转变开始,材料发生屈服,应变值上下起伏波动,出现吕德斯带现象。不同时效温度下的镍钛合金丝材具有不同的力学行为,材料的屈服点、断裂应力和断裂应变值随着时效温度的变化而变化,材料测试条件如环境温度的改变也会对材料的力学行为产生影响。梯度时效处理镍钛合金丝材的拉伸实验结果显示,材料发生屈服后,随着应力继续增加,应力-应变曲线上并没有出现吕德斯带,应变与应力呈现一定的线性关系,这是因为在镍钛合金丝材在长度方向上,不同位置处的时效温度不同,导致不同位置处的镍钛合金应力诱发马氏体转变发生的应力值不同,从而产生功能梯度效应。梯度时效处理镍钛合金丝材在不同的温度环境下拉伸过程中,其他拉伸条件和参数相同时,应力-应变曲线显示,随着拉伸环境温度的升高,曲线上形变诱发马氏体转变开始点（力学梯度效应发生的开始点）会升高。由试样低温时效端起截取不同长度的丝材在相同的拉伸条件下实验,结果表明,梯度效应发生的开始点应力值几乎相同,梯度效应发生的结束点会随着拉伸试样长度的增加而变化。同样,从试样的高温时效端起所截丝材的拉伸实验结果表明,梯度应力平台上标志马氏体转变的开始点和结束点与恒温时效处理实验中相同时效条件下的诱发马氏体转变应力值吻合,梯度效应变化产生的马氏体转变应力-应变曲线平台会随着拉伸试样长度的增加而变化。以上分析结果表明,通过梯度温度环境下时效处理的方法可以成功制备镍钛合金功能梯度材料,并且可以通过灵活改变时效温度区间和时效时间等参数得到不同性能的镍钛合金梯度材料。这种新颖的热处理工艺为功能梯度材料的制备开拓了一条新的思路,并为近等原子比镍钛合金在精确控制等领域的应用提供了一条潜在的可行途径。